题目：基于故障机理的机电系统可靠性仿真方法研究

随着现代机电产品逐渐向复杂化、精密化和微型化方向发展，体积小、重量轻的设计要求导致产品单元尺寸特征逐渐由宏观领域延伸至微观乃至纳观领域，形成了具有跨纳观-微观-宏观特点的多尺度机电系统。针对这类现代机电产品进行可靠性设计分析时，多专业和多物理场动态交互建模与仿真是一种重要的技术手段，但同时面临着跨尺度多专业多物理场动态交互建模困难，故障发生、发展和演化过程更趋复杂且耦合作用愈加明显，诸多不确定性因素的影响严酷，以及伴随产生的仿真计算量庞大等难题。

针对这些问题，本文分析了机电产品宏观和微观两个尺度层次的可靠性设计和分析需求，阐明了基于故障机理的多尺度机电系统可靠性仿真技术内涵，建立了技术框架与技术路线。提出了自顶向下的整体功能和可靠性设计，及自底向上的故障机理分析和故障行为模拟双向仿真流程，在两重多学科（多专业、多物理场）仿真数据流的交互下，实现微观和宏观尺度子系统故障发生、发展过程及对系统性能/功能影响的动态模拟。在此多尺度机电系统可靠性仿真技术框架与技术实施途径的指导下，本文重点研究了基于故障机理的微观和宏观两个尺度机电子系统可靠性建模方法、以及动态时变可靠性高效仿真算法。

在微观尺度可靠性建模方法研究方面，为解决微尺度机电系统故障过程存在的多物理场强耦合、工作前阶段故障影响、纳观裂纹-微观故障同步模拟及多故障模式复杂交互等难题，提出了时间-空间双维故障过程建模方法，重点研究基于集总参数宏模型降阶技术的多物理场解耦方法，并建立了预故障模式传播过程通用模型，还研究了纳观裂纹-微观故障跨尺度建模方法和基于子集模拟技术的工作阶段耦合故障行为建模方法。然后在提出的以时间维作主驱动、空间维作副驱动的双驱动性能可靠性多物理场耦合仿真机制下，完成了微观尺度机电系统故障过程动态模拟。实现了底层到顶层系统设计的故障行为传递，也支持微系统性能可靠性设计方案的改进。最后，以MEMSCAP DC开关为案例进行应用验证，建立了微开关的性能与可靠性多物理场耦合模型，并采用特定情况下的试验数据对仿真过程进行了校验。

在宏观尺度可靠性建模方法研究方面，提出了宏机电子系统多状态多模式性能可靠性的通用建模方法，建立了由多状态偶然故障模式、随机和模糊渐变故障模式及多元不确定性扰动故障模式组成的宏机电系统故障模型库，并详细研究了模型库内部三种不同故障模式间的交互故障过程建模方法，包括不同连续渐变故障模式间竞争故障过程建模方法、连续渐变与离散偶然故障模式间竞争故障过程建模方法及长周期故障行为与短周期不确定性扰动故障动态故障过程建模方法。然后在提出的时间维和事件维双驱动的性能可靠性多专业联合仿真控制机制下，实现宏机电系统性能与动态故障过程的同步模拟，还原了宏机电系统的运行轨迹。最后，以某电液伺服阀为应用案例对本文提出的多状态多模式故障过程建模方法进行工程应用验证，仿真分析了单故障因素和综合故障因素影响下的伺服阀性能输出指标的动态变化，模拟结果表明本文方法与理论分析和试验数据均取得了较好的一致性。

在动态时变可靠性仿真算法研究方面，提出了基于马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）的模糊自适应重要抽样方法和基于方向马尔可夫链蒙特卡罗（DMCMC）自适应重要抽样的长短周期交互变步长算法，解决了短周期多元不确定性下的模糊可靠度计算和长周期的时变可靠度抽样计算问题，降低了通过仿真手段验证机电系统设计方案有效性的计算成本。通过电液舵机算例和电液伺服阀综合案例，分别对提出的模糊抽样算法和长短周期交互的时变可靠性高效仿真算法进行验证，仿真结果表明了本文提出方法适用于存在多元不确定的动态时变可靠性计算分析，且在仿真效率上具有较大优越性。